18-27 Diseño y desarrollo de un vehículo de tres ruedas con ...

E. Cañibano XIX Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica 2estado de la técnica en la que se ha buscado información acerca de los vehículos disponiblesde transporte personal que son similares al que se ha diseñado, realizando, por tanto, unestudio de mercado y benchmarking. También es un aspecto vital el estudio de la normativade aplicación para estos vehículos, con el fin de poder comercializar el diseño final y que noquede en un mero vehículo de concepto. Una vez que ya se conocían los límites ycondiciones para el diseño, se realiza un análisis cinemático que se encuentra centrado enel estudio de la geometría del vehículo y del trazado de curvas que éste puede realizar.Figura 1. Metodología de diseño empleadaTambién se ha realizado un análisis dinámico para garantizar que el vehículo seasuficientemente estable para generar autoconfianza y seguridad en el conductor en su uso.El siguiente paso ha sido el dimensionamiento del sistema de tracción con la consiguienteadaptación a futuras normativas que aparecerán a corto plazo.Finalmente, con el objetivo de validar y comprobar los modelos virtuales que se hanutilizado en los estudios cinemáticos y dinámicos, se ha fabricado un prototipo que serviráde demostrador tanto la validación de las simulaciones, como para conocer las sensacionesque produce la conducción al usuario al conducir este ciclo de tres ruedas. Este aspecto seconsidera trascendental debido a la dificultad de extraer conclusiones subjetivas delconductor a partir de la evolución de las variables dinámicas de interés en distintasmaniobras.2. DESCRIPCIÓN DEL VEHÍCULOEste vehículo es un triciclo con una configuración (2+1), es decir, dos ruedas en el ejedelantero y una en el trasero. Las ruedas delanteras son las directrices y la trasera lamotriz, en cuyo eje va implementado el motor que proporciona la asistencia al pedaleo.Se tomó la decisión de elegir una configuración (2+1), ya que es la proporciona másestabilidad al vehículo en situaciones de riesgo como una frenada [2]. El tren delantero delvehículo está compuesto por diferentes elementos rígidos unidos por pares cinemáticos, loscuales definen la suspensión delantera. Esta suspensión es independiente para cada ruedaya que proporciona mayor estabilidad y confort al usuario, además, la suspensión, tiene lamisión de bloquear o proporcionar la inclinación en el chasis del vehículo a voluntad delusuario, diferenciando de esta forma dos modos diferentes de conducción, el Confort(Inclinación bloqueada) y el Modo Sport (Inclinación Libre).El vehículo tiene una anchura de 750(mm), esta es el resultado de una optimización en laque se ha tenido en cuenta diferentes parámetros cómo la estabilidad, los huecos de laszonas de paso por dónde circulará el vehículo y el sistema de dirección, siendo esta anchurala que mejor conjugaba con todas ellas.

D. y D. de un Vehículo de Tres Ruedas con Asistencia Eléctrica al Pedaleo artículo para el XIX CNIM 33. DEFINICIÓN DEL SISTEMA DE DIRECCIÓNEl sistema de dirección es el encargado de proporcionar un ángulo de giro determinado acada uno de las ruedas directrices cuando el vehículo debe describir una curva. Elcomportamiento ideal se consigue cuando la intersección de las prolongaciones de los ejesperpendiculares a las ruedas por sus centros coincida con el centro de giro del vehículodefinido por la rueda virtual (simplificación del modelo de bicicleta) (Figura 4). Paraconseguir este propósito, se ha implementado en el vehículo mediante un mecanismoconocido como trapecio de Ackermann (Figura 5). Este mecanismo tiene que conseguir quese cumpla una relación entre los ángulos de giro de las dos ruedas, que se denomina reglade las cotangentes [3] y tiene como ecuación definitoria:Cotg ∂ext) − Cotg(∂ ) =(intjL(1)Donde∂extes el ángulo girado por la rueda exterior;intinterior; j: es el ancho de vía y L es la batalla del vehículo.j∂ el ángulo girado por la ruedaL∂int∂extTrapecio deAckermannFigura 2: Centro de giro del vehículoFigura 3: Trapecio de AckermannLa geometría de este mecanismo se ha optimizado mediante la ecuación de Freudestein, contres puntos de precisión [4] (Fig. 6). Para ello se ha requerido la realización de variasiteraciones de diseño.K Cosψ− K · Cosϕ+ K = Cos(ψ − )(2)1· 23ϕaφcdεbψFigura 4: Parámetros del trapecio para la optimización de la geometría

E. Cañibano XIX Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica 44. ANÁLISIS DINÁMICO DEL VEHÍCULOEste análisis dinámico tiene por objeto comprobar que el vehículo es estable y conocer sucomportamiento en circulación para ciertas maniobras estándar. También nos ha servidopara determinar el carácter subvirador o sobrevirador del vehículo. Para realizar esteanálisis dinámico se ha utilizado el software MSC.ADAMS/View R3. En éste se implementaun modelo virtual del vehículo basado en multicuerpos con el que se consigue reproducirtodos los componentes así como las uniones entre los mismos.Para determinar las prestaciones dinámicas del vehículo, se han simulado diferentespruebas de conducción, tales como slalom (señal del ángulo de dirección siguiendo unaseñal senoidal) o el seguimiento de una trayectoria de radio constante. En todas ellas se hacomprobado que las reacciones verticales de los neumáticos con el suelo, no fueran nulas,ya que esto significaría la pérdida de contacto de la rueda con el suelo. Además también seha comprobado que no se produzcan grandes deslizamientos de las ruedas con respecto alsuelo. Todo ello sirve para validar las simulaciones y dar los resultados como aceptables.DOS CARGAS25kg/carga.CARGA(25kg.) +NIÑO(4-5 años)DOS NIÑOS(4-5 años)Figura 5: Versatilidad en la capacidad de carga del tricicloA través de este software se ha simulado un ensayo para conocer el carácter delcomportamiento del vehículo, es decir, conocer en que momento este se comportaba comosubvirador y en cual cómo sobrevirador. Después de realizar el ensayo para los diferentesmodos de conducción (Confort y Sport), y con las diferentes configuraciones de carga (Figura7), se ha podido determinar que el vehículo es claramente subvirador en el modo Confort ysobrevirador para el caso del modo Sport. En ambos casos las diferentes configuraciones decarga hacen que aumente o disminuya el carácter del vehículo, pero en ningún caso cambiade sentido.5. ESTUDIO ERGONÓMICO.Uno de los objetivos esenciales del diseño de este vehículo es el de hacer que el usuario seencuentre más cómodo que en una bicicleta tradicional, por ello es necesario hacer unestudio previo para determinar cual es la posición que le va a resultar más idónea. En elcaso de este nuevo vehículo, no se puede basar el estudio ergonómico en los estudiosexistentes y ya experimentados que existen para el ciclismo ya que se buscan diferentesobjetivos. Por ello nos basaremos en estudios sobre actividades físicas para personas de latercera edad. En ellos, se aconseja que determinados ángulos de las extremidades como lasrodillas y la pierna con el tronco del cuerpo (ángulo de cadera), no superen unosdeterminados umbrales. Estos ángulos dependen directamente de la posición de los puntosde apoyo del usuario que tiene el usuario en el vehículo. Estos puntos de apoyo losdefinimos y consideramos como tres, el manillar, el pedalier y el asiento, como se ve en lasiguiente imagen (Figura. 9);

D. y D. de un Vehículo de Tres Ruedas con Asistencia Eléctrica al Pedaleo artículo para el XIX CNIM 5Figura 6: Principales puntos de apoyo en una bicicletaPuesto que nuestro vehículo dispone de un sistema de asistencia al pedaleo, en la definiciónde la postura de pedaleo no va a tener como objetivo el desarrollar la máxima fuerza posibleaprovechándose de la gravedad como se hace en las bicicletas, sino el que el usuario nofuerce de manera excesiva sus extremidades. Por ello se ha optimizado la posición de lospuntos de apoyo, teniendo en cuenta los ángulos barridos por las articulaciones. Puesto queel público al que va dirigido es muy diverso en el que hay una gran dispersión de estaturas,el vehículo dispone de regulaciones para adaptarse a la estatura del máximo número depersonas.Figura 7: Postura semi-reclinadaPuesto que la comodidad es muy subjetiva a cada usuario, el estudio está supeditado a larealización de pruebas con usuarios que validen las decisiones tomadas para su diseño soncorrectas. Para ello se ha fabricado un prototipo demostrador (Figura11), con el objetivo derealizar pruebas de campo. Este prototipo permite una variación tanto de la posición delasiento como del manillar, pudiendo pasar de una configuración similar a la de unabicicleta tradicional, hasta la de una bicicleta reclinada, barriendo todas las posicionesintermedias. Un punto importante que también ha sido necesario tener en cuenta, es lalongitud de las bielas, pudiendo ser estas intercambiables por unas de diferente longitud, yaque de estas depende directamente el ángulo de las rodillas.Figura 8: Prototipo para posiciones variables

E. Cañibano XIX Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica 6Con este prototipo ha sido posible realizar pruebas con personas de diferente peso edad yestatura. Es estas pruebas entre otras cosas se registraba la configuración en la que elusuario se sentía más cómodo.Como conclusión se observó que las hipótesis tomadas en el estudio de ergonomía son lasadecuadas, ya que así lo avala la mayor parte de las personas encuestadas. Además deestas pruebas se desprendió un dato que no se había tenido en cuenta, y es la comodidadde acceso al vehículo, es decir, de forma general, los usuarios prefieren que al colocarse enel asiento, tengan que sentarse y no elevarse como ocurre en las bicicletas, en las que paracolocarse en el asiento hay que poner un pié en uno de los pedales. Lo mismo ocurrecuando se quieren apear del vehiculo, valoran mucho el poder incorporarse como si de unasilla se tratase. Con estos datos, se ha diseñado de forma definitiva la posición ergonómicadel usuario en el vehículo final.6. DEMOSTRADOR EXPERIMENTAL.La última fase de la metodología de diseño presentada, conlleva la realización física de unmodelo real del vehículo. Éste servirá para la validación de los modelos numéricos tanto delos mecanismos diseñados como de las simulaciones dinámicas, donde los neumáticosjuegan un papel fundamental. A su vez, permiten evaluar las sensaciones que produce suconducción que también pueden ser esenciales en la estrategia de comercialización.Finalmente, valdrán como banco de ensayos para su puesta a punto, así como para larealización de pruebas con diferentes motores y baterías.En este prototipo demostrador final, se ha fabricado con las dimensiones y datos extraídosde las pruebas y ensayos anteriores. Incluido el sistema de asistencia al pedaleo compuestopor un motor tipo brushless de 36V y 250W, que se encuentra instalado en el eje de larueda trasera, este motor se alimenta de una batería de 36V y 10Ah, junto con estos doscomponentes, tenemos el controlador y el resto de sensores que componen el KIT deasistencia al pedaleo.Este sistema de asistencia, sólo entra en funcionamiento cuando el usuario se encuentrapedaleando y se desactiva automáticamente, en los siguientes casos:- Cuando el usuario deja de pedalear,- Cuando el Vehículo supera la velocidad 25Km/h,- En el instante en el que el usuario utiliza los frenos del vehículo.La asistencia del motor se produce, de la forma que se muestra en la siguiente gráfica, en laque se puede ver la fuerza total necesaria (Línea naranja) que el usuario debería realizarsobre el pedalier, si el vehículo no tuviera asistencia, y en las líneas que se encuentran pordebajo representan la asistencia que proporciona el motor, en cada uno de los niveles deasistencia que el vehículo dispone, ayudas al 80,60y 40%. En esta gráfica también se puedeobservar que cuando el vehículo supera los 25Km/h, la asistencia se desconecta y no prestaayuda al usuario.Figura 9: Niveles de asistencia prestada

D. y D. de un Vehículo de Tres Ruedas con Asistencia Eléctrica al Pedaleo artículo para el XIX CNIM 7Con este prototipo fabricado mediante perfiles normalizados de aluminio extruido ytornillería comercial, se han realizado diferentes pruebas con objeto de conocer lassensaciones que experimentan los usuarios al utilizar este vehículo.Figura 10: Demostrador fabricados7. ENSAYO DE AUTONOMÍA DEL VEHÍCULO.Cómo se ha explicado en el apartado anterior, el vehículo está dotado con un motor eléctricode 250W y una batería de 36 V y 10 Ah. Estos junto con el controlador y sensores, son loscomponentes de asistencia al pedaleo, que prestan al usuario una asistencia en tres nivelesdiferentes de ayuda según este seleccione. Este sistema entra en funcionamiento cuando elusuario lo conecte y presta asistencia, hasta que el vehículo alcance 25 Km/h, el usuariodeje de pedalear o accione el freno, en ese momento el sistema desactivará la asistencia.Con el objetivo de conocer el la autonomía real que tenía el vehículo con la batería instalada,se realizó una prueba de campo. Esta consistía en utilizando una batería con una cargacompleta y circular con el vehículo únicamente con la tracción eléctrica, a lo largo delParque Tecnológico de Boecillo, registrando a través de un GPS la posición y velocidad delvehículo.Figura 11: Registro del camino y resultados obtenidos

E. Cañibano XIX Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica 8Se eligió el Parque Tecnológico como emplazamiento para realizar la prueba por motivos deseguridad, ya que la densidad de tráfico es reducida y además es una zona con pequeñosdesniveles. El registro de la trayectoria, cómo se ve en la imagen anterior. La prueba serealizó hasta que la batería se agotó, obteniendo los siguientes resultados.Distancia Total RecorridaTiempo en movimientoVelocidad media37 Km.1h 59 min.18km/hTabla1: Resultados del ensayo de autonomía8. COCLUSIONES.A lo largo de este trabajo se deja la constancia de que todavía queda mucho por desarrollary mejorar el transporte unipersonal y sostenible, en este trabajo se ha desarrollado unvehículo con conceptos ya existentes, pero sobre los que se han realizado mejoras, como laposibilidad de permitir al usuario inclinar el chasis en una curva para mejorar laestabilidad, dotar al vehículo de un sistema de asistencia al pedaleo que consigue reducir elesfuerzo para mover el vehículo. Esta asistencia al pedaleo proporciona ayuda al usuariodurante más de 40Km con el máximo nivel de asistencia.Uno de los puntos principales que se pueden añadir es el estudio de la ergonomía, ya quegracias a ello se ha podido modificar las posiciones relativas entre el asiento y el manillar yde esta forma mejorar la comodidad del usuario, a diferencia de lo que ya existe cuyo diseñose hace partiendo de una bicicleta convencional. Con estas mejoras se ha conseguido unvehículo ideal para un determinado público al que va orientado. Lo cual se ha validadorealizando encuestas con más de 45 usuarios registrando sus opiniones y sugerencias.Con este desarrollo se ha conseguido un vehículo que cumple con los objetivos de diseñoproporcionando una movilidad al usuario de una forma sostenible y que además nocontamina ni por gases ni por ruido en las zonas por las que circula.9. REFERENCIAS[1] AENOR, “UNE-EN 15194: Ciclos, Ciclos con asistencia eléctrica, Bicicletas EPAC”, Aenor,2009.[2] Fenner P., ”On the Golden Rule of Trike Design” Design Engineer, DeferredProcrastination Octubre 2010.[3] Guillespie, T. D., “Fundamentals of Vehicle Dynamics”, Society of Automotive Engineers,Inc., Warrendale, PA, 1992.[4] Nieto, J., “Síntesis de mecanismos”, AC, Madrid, 1978.[5] Sponziello, A. “Stability Analysis of a three-Wheeled Motorcycle”. SAE Japan 2008.[6] Fenner, P “ On the Golden Rule of Trike Design”. DesirDeferred Procrastination. Octubre2010.[7] Kidane, S. “Development and Experimental Evaluation of a Tilt Stability Control Systemfor Narrow Commuter Vehicles”. IEEE Transactions on control systems technology.Diciembre 2010.